stringtranslate.com

Свойства материала алмаза

Алмаз — это аллотроп углерода , в котором атомы углерода расположены в определенном типе кубической решетки, называемой кубическим алмазом . Это кристалл , который является прозрачным или непрозрачным и который, как правило, изотропен (отсутствие или очень слабое двупреломление ). Алмаз — самый твердый из известных природных материалов. Тем не менее, из-за значительной структурной хрупкости прочность массивного алмаза только удовлетворительная или хорошая. Точная прочность на растяжение массивного алмаза малоизвестна; однако прочность на сжатие доНаблюдалось 60  ГПа , и оно может достигать90–100 ГПа в виде микро/нанометровых проволок или игл (~100–300 нм в диаметре, микрометры в длину), с соответствующей максимальной упругой деформацией растяжения более 9%. [1] [2] Анизотропия твердости алмаза тщательно учитывается во время огранки алмаза . Алмаз имеет высокий показатель преломления (2,417) и умеренную дисперсию (0,044), которые придают ограненным алмазам их блеск. Ученые классифицируют алмазы на четыре основных типа в соответствии с природой присутствующих кристаллографических дефектов . Следовые примеси, замещающие атомы углерода в кристаллической структуре алмаза , и в некоторых случаях структурные дефекты, отвечают за широкий диапазон цветов, наблюдаемых в алмазе. Большинство алмазов являются электроизоляторами и чрезвычайно эффективными теплопроводниками . В отличие от многих других минералов, удельный вес кристаллов алмаза (3,52) имеет довольно небольшие колебания от алмаза к алмазу.

Твердость и кристаллическая структура

Известный древним грекам как ἀδάμας ( adámas , «правильный, неизменный, нерушимый») [3] и иногда называемый адамантом , алмаз является самым твердым известным природным материалом и служит определением 10 по шкале твердости минералов Мооса . Алмаз чрезвычайно прочен благодаря своей кристаллической структуре, известной как кубический алмаз , в которой каждый атом углерода имеет четыре соседа, ковалентно связанных с ним. Объемный кубический нитрид бора (c-BN) почти такой же твердый, как алмаз. Алмаз реагирует с некоторыми материалами, такими как сталь, и c-BN меньше изнашивается при резке или шлифовке такого материала. [4] (Его структура цинковой обманки похожа на кубическую структуру алмаза, но с чередующимися типами атомов.) В настоящее время гипотетический материал, бета-нитрид углерода (β- C 3 N 4 ), также может быть таким же твердым или тверже в одной форме. Было показано, что некоторые алмазные агрегаты с нанометровым размером зерна тверже и прочнее обычных крупных алмазных кристаллов, поэтому они лучше работают как абразивный материал. [5] [6] Благодаря использованию этих новых сверхтвердых материалов для тестирования алмазов, теперь известны более точные значения твердости алмаза. Поверхность, перпендикулярная кристаллографическому направлению [111] (то есть самой длинной диагонали куба) чистого (т. е. типа IIa) алмаза, имеет значение твердости167 ГПа при царапании наноалмазным наконечником, в то время как сам образец наноалмаза имеет значение310 ГПа при испытании с другим наноалмазным наконечником. Поскольку тест работает правильно только с наконечником, изготовленным из более твердого материала, чем испытываемый образец, истинное значение для наноалмаза, вероятно, несколько ниже, чем310 ГПа . [5]

Визуализация кубической элементарной ячейки алмаза: 1. Компоненты элементарной ячейки, 2. Одна элементарная ячейка, 3. Решетка из 3×3×3 элементарных ячеек
Зависимость молярного объема от давления при комнатной температуре.
Трехмерная шаростержневая модель алмазной решетки

Точная прочность алмаза на разрыв неизвестна, хотя прочность достигаетНаблюдалось 60 ГПа , и теоретически оно может достигать90–225 ГПа в зависимости от объема/размера образца, совершенства решетки алмаза и ее ориентации: предел прочности на разрыв самый высокий для направления кристалла [100] (нормально к кубической грани), меньше для [110] и самый маленький для оси [111] (вдоль самой длинной диагонали куба). [7] Алмаз также имеет одну из самых маленьких сжимаемостей среди всех материалов.

Кубические алмазы имеют идеальную и легкую октаэдрическую спайность , что означает, что у них есть только четыре плоскости — слабые направления, следующие за гранями октаэдра, где меньше связей, — вдоль которых алмаз может легко расколоться при тупом ударе, оставляя гладкую поверхность. Аналогично, твердость алмаза заметно направлена : самое твердое направление — диагональ на грани куба , в 100 раз тверже самого мягкого направления, которым является додекаэдрическая плоскость. Октаэдрическая плоскость является промежуточной между двумя крайностями. Процесс огранки алмаза в значительной степени зависит от этой направленной твердости, так как без нее алмаз было бы почти невозможно обработать. Спайность также играет полезную роль, особенно в крупных камнях, где огранщик хочет удалить дефектный материал или получить более одного камня из одного и того же куска необработанного камня (например, алмаз Куллинан ). [8]

Алмазы кристаллизуются в кубической кристаллической системе алмаза ( пространственная группа Fd 3 m) и состоят из тетраэдрически ковалентно связанных атомов углерода. Вторая форма, называемая лонсдейлитом , с гексагональной симметрией, также была обнаружена, но она крайне редка и образуется только в метеоритах или при лабораторном синтезе. Локальное окружение каждого атома идентично в двух структурах. Из теоретических соображений ожидается, что лонсдейлит будет тверже алмаза, но размер и качество имеющихся камней недостаточны для проверки этой гипотезы. [9] С точки зрения кристаллической формы алмазы чаще всего встречаются в виде идиоморфных (хорошо сформированных) или округлых октаэдров и сдвоенных , уплощенных октаэдров с треугольным контуром. Другие формы включают додекаэдры и (редко) кубы. Есть доказательства того, что примеси азота играют важную роль в образовании хорошо сформированных идиоморфных кристаллов. Самые крупные найденные алмазы, такие как алмаз Куллинан, были бесформенными. Эти алмазы являются чистыми (т.е. типа II) и поэтому содержат мало азота, если вообще содержат. [8]

Грани алмазных октаэдров очень блестящие из-за их твердости; на гранях часто присутствуют треугольные дефекты роста ( тригоны ) или ямки травления . Излом алмаза нерегулярный. Алмазы, которые почти круглые из-за образования множественных ступенек на октаэдрических гранях, обычно покрыты камедетевидной коркой ( nyf ). Сочетание ступенчатых граней, дефектов роста и nyf создает «чешуйчатый» или гофрированный вид. Многие алмазы настолько искажены, что различимы лишь немногие грани кристаллов. Некоторые алмазы, найденные в Бразилии и Демократической Республике Конго , являются поликристаллическими и встречаются в виде непрозрачных, темноокрашенных, сферических, радиальных масс мелких кристаллов; они известны как балласы и важны для промышленности, поскольку у них отсутствуют плоскости спайности монокристаллического алмаза. Карбонадо — это похожая непрозрачная микрокристаллическая форма, которая встречается в виде бесформенных масс. Как и у алмаза баллас, у карбонадо нет плоскостей спайности, а его удельный вес варьируется в широких пределах от 2,9 до 3,5. Алмазы Борт , найденные в Бразилии, Венесуэле и Гайане , являются наиболее распространенным типом алмазов промышленного класса. Они также являются поликристаллическими и часто плохо кристаллизованными; они полупрозрачны и легко раскалываются. [8]

Гидрофобия и липофилия

Благодаря большой твердости и прочным молекулярным связям грани и края граней ограненного алмаза кажутся самыми плоскими и острыми. Любопытным побочным эффектом совершенства поверхности натурального алмаза является гидрофобность в сочетании с липофилией . Первое свойство означает, что капля воды, помещенная на алмаз, образует связную каплю, тогда как в большинстве других минералов вода растекается, покрывая поверхность. Кроме того, алмаз необычайно липофилен, то есть жир и масло легко собираются и распределяются по поверхности алмаза, тогда как в других минералах масло образует связные капли. Это свойство используется при использовании жирных карандашей , которые наносят линию жира на поверхность предполагаемого имитатора алмаза . Поверхности алмаза гидрофобны , когда поверхностные атомы углерода заканчиваются атомом водорода, и гидрофильны , когда поверхностные атомы заканчиваются атомом кислорода или гидроксильным радикалом . Обработка газами или плазмой, содержащей соответствующий газ, при температурах450 °C или выше, может полностью изменить свойство поверхности. [10] Природные алмазы имеют поверхность с менее чем полумонослойным покрытием кислорода, остаток приходится на водород, и поведение умеренно гидрофобное. Это позволяет отделять от других минералов на руднике с помощью так называемого "смазочного пояса". [11]

Прочность

Алмазы в лезвии угловой шлифовальной машины

В отличие от твердости, которая обозначает только устойчивость к царапинам, прочность или цепкость алмаза может быть только удовлетворительной или хорошей. Прочность относится к способности противостоять поломкам при падениях или ударах. Из-за идеальной и легкой раскалываемости алмаза он уязвим для поломок. Алмаз расколется, если ударить по нему обычным молотком. [12] Прочность природного алмаза измеряется как2,0 МПа⋅м 1/2 , что хорошо по сравнению с другими драгоценными камнями, такими как аквамарин (голубого цвета), но плохо по сравнению с большинством конструкционных материалов. Как и в случае с любым материалом, макроскопическая геометрия алмаза способствует его устойчивости к поломке. Алмаз имеет плоскость спайности и поэтому более хрупок в некоторых ориентациях, чем в других. Огранщики алмазов используют это свойство для раскалывания некоторых камней перед огранкой. [13] [14]

Алмазы Баллас и Карбонадо являются исключительными, так как они поликристаллические и, следовательно, намного прочнее, чем монокристаллический алмаз; они используются для глубоких сверл и других сложных промышленных применений. [15] Определенные формы огранки алмазов более подвержены поломке и, таким образом, могут не подпадать под страхование авторитетных страховых компаний. Бриллиантовая огранка драгоценных камней разработана специально для снижения вероятности поломки или раскалывания. [8]

В алмазе обычно присутствуют твердые инородные кристаллы. В основном это минералы, такие как оливин , гранаты , рубин и многие другие. [16] Эти и другие включения, такие как внутренние трещины или «перья», могут нарушить структурную целостность алмаза. Ограненные алмазы, которые были улучшены для повышения их чистоты путем заполнения трещин или полостей стеклом, особенно хрупкие, так как стекло не выдержит ультразвуковой очистки или суровых условий ювелирной горелки. Алмазы с заполненными трещинами могут расколоться при неправильном обращении. [17]

Сопротивление давлению

Алмазы , используемые в так называемых экспериментах с алмазными наковальнями для создания сред с высоким давлением, выдерживают сокрушительное давление, превышающее 600 гигапаскалей (6 миллионов атмосфер ). [18]

Оптические свойства

Цвет и его причины

Синтетические алмазы разных цветов, выращенные методом высокого давления и высокой температуры. Размер алмаза ~2 мм .
Чистые алмазы, до и после облучения и отжига. По часовой стрелке слева снизу: 1) исходный (2 мм × 2 мм ); 2–4) облученные разными дозами2 МэВ электроны; 5–6) облученные разными дозами и отожженные при800 °С .

Алмазы бывают разных цветов: черный, коричневый, желтый, серый, белый, синий, оранжевый, фиолетовый, розовый и красный. Цветные алмазы содержат кристаллографические дефекты , включая замещающие примеси и структурные дефекты, которые вызывают окраску. Теоретически чистые алмазы должны быть прозрачными и бесцветными. С научной точки зрения алмазы классифицируются на два основных типа и несколько подтипов в зависимости от природы присутствующих дефектов и того, как они влияют на поглощение света: [8]

Алмаз типа I имеет атомы азота (N) в качестве основной примеси, в концентрации до 1%. Если атомы N находятся парами или более крупными агрегатами, они не влияют на цвет алмаза; это тип Ia. Около 98% ювелирных алмазов относятся к типу Ia: эти алмазы относятся к серии Cape , названной в честь богатого алмазами региона, ранее известного как провинция Cape в Южной Африке , месторождения которого в основном относятся к типу Ia. Если атомы азота рассеяны по всему кристаллу в изолированных участках (не парные и не сгруппированные), они придают камню интенсивный желтый или иногда коричневый оттенок (тип Ib); редкие канареечные алмазы относятся к этому типу, который составляет всего ~0,1% известных природных алмазов. Синтетический алмаз, содержащий азот, обычно относится к типу Ib. Алмазы типов Ia и Ib поглощают как в инфракрасной , так и в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра , от320 нм . Они также имеют характерный спектр флуоресценции и видимого поглощения. [19]

Алмазы типа II имеют очень мало примесей азота, если вообще имеют. Чистый алмаз (тип IIa) может быть окрашен в розовый, красный или коричневый цвет из-за структурных аномалий, возникающих в результате пластической деформации во время роста кристаллов; [20] эти алмазы редки (1,8% ювелирных алмазов), но составляют большой процент австралийских алмазов. Алмазы типа IIb, которые составляют ~0,1% ювелирных алмазов, обычно имеют стальной синий или серый цвет из-за атомов бора, рассеянных в кристаллической матрице. Эти алмазы также являются полупроводниками , в отличие от других типов алмазов (см. Электрические свойства). Большинство сине-серых алмазов, поступающих с рудника Аргайл в Австралии, не относятся к типу IIb, а к типу Ia. Эти алмазы содержат большие концентрации дефектов и примесей (особенно водорода и азота), и происхождение их цвета пока неясно. [21] Алмазы типа II слабо поглощают в другой области инфракрасного излучения (поглощение обусловлено решеткой алмаза, а не примесями) и пропускают в ультрафиолете ниже 225 нм, в отличие от алмазов типа I. Они также имеют различные характеристики флуоресценции, но не имеют различимого видимого спектра поглощения. [19]

Некоторые методы улучшения алмазов обычно используются для искусственного получения множества цветов, включая синий, зеленый, желтый, красный и черный. Методы улучшения цвета обычно включают облучение , включая протонную бомбардировку через циклотроны ; нейтронную бомбардировку в кучах ядерных реакторов ; и электронную бомбардировку генераторами Ван де Граафа . Эти высокоэнергетические частицы физически изменяют кристаллическую решетку алмаза , выбивая атомы углерода со своих мест и создавая цветовые центры . Глубина проникновения цвета зависит от метода и его продолжительности, и в некоторых случаях алмаз может оставаться радиоактивным в некоторой степени. [8] [22]

Некоторые облученные алмазы полностью натуральные; одним из известных примеров является Дрезденский зеленый алмаз . [11] В этих натуральных камнях цвет придается «радиационными ожогами» (естественное облучение альфа-частицами, происходящими из урановой руды ) в виде небольших пятен, обычно всего лишь микрометров глубиной. Кроме того, алмазы типа IIa могут иметь структурные деформации, «отремонтированные» с помощью процесса высокого давления и высокой температуры (HPHT), удаляя большую часть или весь цвет алмаза. [23]

Блеск

Россыпь бриллиантов круглой огранки демонстрирует множество отражающих граней.

Блеск алмаза описывается как «адамантиновый», что просто означает алмазоподобный. Отражения на правильно ограненных гранях алмаза не искажаются из-за их плоскостности. Показатель преломления алмаза (измеренный с помощью натриевого света ,589,3 нм ) составляет 2,417. Поскольку алмаз имеет кубическую структуру, он также изотропен . Его высокая дисперсия 0,044 (изменение показателя преломления в видимом спектре) проявляется в заметном огне ограненных алмазов. Этот огонь — вспышки призматических цветов, видимые в прозрачных камнях — возможно, является самым важным оптическим свойством алмаза с точки зрения ювелирного дела. Выразительность или количество огня, видимого в камне, в значительной степени зависят от выбора огранки алмаза и связанных с ней пропорций (особенно высоты короны), хотя цвет тела фантазийных (т. е. необычных) алмазов может в некоторой степени скрывать их огонь. [22]

Более 20 других минералов имеют более высокую дисперсию (то есть разницу в показателе преломления для синего и красного света), чем алмаз, например, титанит 0,051, андрадит 0,057, касситерит 0,071, титанат стронция 0,109, сфалерит 0,156, синтетический рутил 0,330, киноварь 0,4 и т. д. (см. Дисперсия (оптика) ). [24] Однако сочетание дисперсии с чрезвычайной твердостью, износоустойчивостью и химической стойкостью, а также умелый маркетинг определяют исключительную ценность алмаза как драгоценного камня.

Флуоресценция

Алмазы проявляют флуоресценцию , то есть они излучают свет различных цветов и интенсивности под длинноволновым ультрафиолетовым светом (365 нм): камни серии Cape (тип Ia) обычно флуоресцируют синим цветом, и эти камни могут также фосфоресцировать желтым цветом, уникальное свойство среди драгоценных камней. Другие возможные цвета длинноволновой флуоресценции - зеленый (обычно в коричневых камнях), желтый, лиловый или красный (в алмазах типа IIb). [25] В природных алмазах обычно наблюдается слабая реакция на коротковолновый ультрафиолет, но обратное верно для синтетических алмазов. Некоторые природные алмазы типа IIb фосфоресцируют синим цветом после воздействия коротковолнового ультрафиолета. В природных алмазах флуоресценция под рентгеновскими лучами обычно голубовато-белая, желтоватая или зеленоватая. Некоторые алмазы, особенно канадские алмазы, не проявляют флуоресценции. [19] [22]

Происхождение цветов люминесценции часто неясно и не уникально. Синее излучение алмазов типа IIa и IIb надежно идентифицируется с дислокациями путем прямой корреляции излучения с дислокациями в электронном микроскопе . [26] Однако синее излучение в алмазе типа Ia может быть вызвано либо дислокациями, либо дефектами N3 (три атома азота, граничащие с вакансией). [27] Зеленое излучение в природном алмазе обычно обусловлено центром H3 (два замещающих атома азота, разделенных вакансией), [28] тогда как в синтетическом алмазе оно обычно возникает из-за никеля, используемого в качестве катализатора (см. рисунок). [19] Оранжевое или красное излучение может быть вызвано различными причинами, одной из которых является центр азот-вакансия , который присутствует в достаточном количестве во всех типах алмаза, даже типа IIb. [29]

Оптическое поглощение

Алмазы серии Cape (Ia) имеют видимый спектр поглощения (наблюдаемый через спектроскоп прямого видения ), состоящий из тонкой линии в фиолетовой области415,5 нм ; однако эта линия часто невидима, пока алмаз не охладится до очень низких температур. С этим связаны более слабые линии при478 нм ,465 нм ,452 нм ,435 нм и423 нм . Все эти линии обозначены как оптические центры N3 и N2 и связаны с дефектом, состоящим из трех атомов азота, граничащих с вакансией. Другие камни показывают дополнительные полосы: коричневые, зеленые или желтые алмазы показывают полосу в зеленом на504 нм (центр H3, см. выше), [28] иногда сопровождается двумя дополнительными слабыми полосами при537 нм и495 нм (центр H4, большой комплекс, предположительно включающий 4 замещающих атома азота и 2 вакансии решетки). [30] Алмазы типа IIb могут поглощать в дальнем красном диапазоне из-за замещающего бора, но в остальном не показывают наблюдаемого видимого спектра поглощения. [8]

Геммологические лаборатории используют спектрофотометрические машины, которые могут различать натуральные, искусственные и цветные алмазы . Спектрофотометры анализируют инфракрасные , видимые и ультрафиолетовые спектры поглощения и люминесценции алмазов, охлажденных жидким азотом, для обнаружения контрольных линий поглощения, которые обычно неразличимы. [8] [31]

Электрические свойства

Алмаз является хорошим электрическим изолятором , его удельное сопротивление составляет100 ГОм⋅м до1 ЭОм⋅м [32] (1,0 × 10 11 –1,0 × 10 18  Ом⋅м ) и славится своей широкой запрещенной зоной 5,47 эВ. Высокая подвижность носителей заряда [33] и высокое электрическое поле пробоя [34] при комнатной температуре также являются важными характеристиками алмаза. Эти характеристики позволяют монокристаллическому алмазу быть одним из перспективных материалов для полупроводников . [ необходимо разъяснение ] Широкая запрещенная зона выгодна для полупроводников, поскольку она позволяет им сохранять высокое удельное сопротивление даже при высокой температуре, что важно для приложений с высокой мощностью. Полупроводники с высокой подвижностью носителей заряда, такие как алмаз, легче использовать в промышленности, поскольку им не требуется высокое входное напряжение. Высокое напряжение пробоя позволяет избежать огромного тока, внезапно возникающего при типичных входных напряжениях.

Большинство природных голубых алмазов являются исключением и являются полупроводниками из-за замещающих примесей бора , заменяющих атомы углерода. Природные голубые или сине-серые алмазы, распространенные на алмазной шахте Аргайл в Австралии, богаты водородом ; эти алмазы не являются полупроводниками, и неясно, действительно ли водород отвечает за их сине-серый цвет. [21] Природные голубые алмазы, содержащие бор, и синтетические алмазы, легированные бором, являются полупроводниками p-типа . Алмазные пленки n-типа воспроизводимо синтезируются путем легирования фосфором во время химического осаждения из паровой фазы . [35] Диодные pn-переходы и УФ-светодиоды ( LEDs , в235 нм ) были получены путем последовательного осаждения слоев p-типа (легированных бором) и n-типа (легированных фосфором). [36] Электронные свойства алмаза также могут быть изменены с помощью деформационной инженерии . [1]

Были изготовлены алмазные транзисторы (в исследовательских целях). [37] В январе 2024 года японская исследовательская группа изготовила МОП-транзистор с использованием легированного фосфором n-типа алмаза, который будет иметь превосходные характеристики по сравнению с технологией на основе кремния в высокотемпературных, высокочастотных или высокоэлектронных приложениях. [38] Были изготовлены полевые транзисторы с диэлектрическими слоями SiN и SC-FET. [39]

В апреле 2004 года в журнале Nature были опубликованы следующие исследования:4  K , синтетический алмаз, легированный бором, является объемным сверхпроводником. [40] Сверхпроводимость была позже обнаружена в сильно легированных бором пленках, выращенных различными методами химического осаждения из паровой фазы , и самая высокая зарегистрированная температура перехода (к 2009 году) составляет11,4 К. [ 41] [42] (См. также Ковалентный сверхпроводник#Алмаз )

Необычные магнитные свойства (состояние спинового стекла) были обнаружены в алмазных нанокристаллах, интеркалированных калием. [43] В отличие от парамагнитного основного материала, измерения магнитной восприимчивости интеркалированного наноалмаза выявили отчетливое ферромагнитное поведение при5 K. Это существенно отличается от результатов интеркаляции калия в графите или фуллерене C60 и показывает, что sp3-связь способствует магнитному упорядочению в углероде. Измерения представили первое экспериментальное доказательство состояния спинового стекла, индуцированного интеркаляцией, в нанокристаллической алмазной системе.

Теплопроводность

В отличие от большинства электроизоляторов, алмаз является хорошим проводником тепла из-за прочной ковалентной связи и низкого рассеяния фононов . Теплопроводность природного алмаза была измерена и составила около 2200 Вт/(м·К), что в пять раз больше, чем у серебра , самого теплопроводного металла. Монокристаллический синтетический алмаз, обогащенный до 99,9% изотопом 12C , имел самую высокую теплопроводность среди всех известных твердых тел при комнатной температуре: 3320 Вт/(м·К), хотя существуют сообщения о превосходной теплопроводности как в углеродных нанотрубках, так и в графене. [44] [45] Поскольку алмаз обладает такой высокой теплопроводностью, он уже используется в производстве полупроводников для предотвращения перегрева кремния и других полупроводниковых материалов. При более низких температурах проводимость становится еще лучше и достигает 41 000 Вт/(м·К) при 104 К (−169 °C; −272 °F) ( алмаз, обогащенный 12C) . [45]

Высокая теплопроводность алмаза используется ювелирами и геммологами, которые могут использовать электронный тепловой зонд, чтобы отличить алмазы от их имитаций. Эти зонды состоят из пары термисторов с питанием от батареек , установленных в тонком медном наконечнике. Один термистор функционирует как нагревательное устройство, в то время как другой измеряет температуру медного наконечника: если тестируемый камень является алмазом, он будет проводить тепловую энергию наконечника достаточно быстро, чтобы произвести измеримое падение температуры. Этот тест занимает около 2–3 секунд. Однако старые зонды будут обмануты муассанитом , кристаллической минеральной формой карбида кремния, представленной в 1998 году в качестве альтернативы алмазам, которая имеет схожую теплопроводность. [8] [31]

Технологически высокая теплопроводность алмаза используется для эффективного отвода тепла в высокопроизводительной силовой электронике. Алмаз особенно привлекателен в ситуациях, когда электропроводность теплоотводящего материала недопустима, например, для теплового управления высокомощными радиочастотными ( РЧ ) микрокатушками , которые используются для создания сильных и локальных РЧ-полей. [46]

Термическая стабильность

Алмаз и графит — две аллотропные модификации углерода: чистые формы одного и того же элемента, различающиеся по структуре.

При нагревании свыше 700 °C (1292 °F) на воздухе алмаз, являющийся формой углерода, окисляется, и его поверхность чернеет, но поверхность можно восстановить путем повторной полировки. [47] При отсутствии кислорода, например, в потоке аргона высокой чистоты , алмаз можно нагреть примерно до1700 °C . [48] [49] При высоком давлении (~20 ГПа (2 900 000 фунтов на кв. дюйм)) алмаз может быть нагрет до 2500 °C (4530 °F), [50] а отчет, опубликованный в 2009 году, предполагает, что алмаз может выдерживать температуры 3000 °C (5430 °F) и выше. [51]

Алмазы — это кристаллы углерода , которые образуются при высоких температурах и экстремальных давлениях, например, глубоко в недрах Земли. При давлении воздуха у поверхности (одна атмосфера) алмазы не так стабильны, как графит , и поэтому распад алмаза термодинамически выгоден (δ H  = −2 кДж/моль ). [22] Однако из-за очень большого барьера кинетической энергии алмазы являются метастабильными ; они не распадаются на графит при нормальных условиях . [22]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Dang, Chaoqun; et al. (1 января 2021 г.). «Достижение большой однородной упругости при растяжении в микрообработанном алмазе». Science . 371 (6524): 76–78. Bibcode :2021Sci...371...76D. doi : 10.1126/science.abc4174 . PMID  33384375.
  2. ^ Баннерджи, Амит и др. (20 апреля 2018 г.). «Сверхбольшая упругая деформация наноразмерного алмаза». Science . 360 (6386): 300–302. Bibcode :2018Sci...360..300B. doi : 10.1126/science.aar4165 . PMID  29674589.
  3. ^ Лидделл, Х. Г.; Скотт, Р. «Адамас». Греко–английский лексикон . Проект «Персей » .
  4. ↑ Ing, Pavel Brazda Dpl (01.02.2006). «Трудный выбор: алмаз или CBN? | Журнал Gear Solutions — ваш ресурс для производителей зубчатых передач» . Получено 25.05.2023 .
  5. ^ ab Бланк, В.; Попов, М.; Пивоваров, Г.; Львова, Н.; и др. (1998). "Сверхтвердые и сверхтвердые фазы фуллерита C60: сравнение с алмазом по твердости и износу". Diamond and Related Materials . 7 (2–5): 427. Bibcode :1998DRM.....7..427B. CiteSeerX 10.1.1.520.7265 . doi :10.1016/S0925-9635(97)00232-X. 
  6. ^ Irifune, T.; Kurio, A.; Sakamoto, S.; Inoue, T.; et al. (2003). «Сверхтвердый поликристаллический алмаз из графита». Nature . 421 (6923): 599–600. Bibcode :2003Natur.421..599I. doi :10.1038/421599b. PMID  12571587. S2CID  52856300.
  7. ^ Теллинг, Р. Х.; Пикард, К. Дж.; Пэйн, М. К.; Филд, Дж. Э. (2000). «Теоретическая прочность и расщепление алмаза». Physical Review Letters . 84 (22): 5160–5163. Bibcode : 2000PhRvL..84.5160T. doi : 10.1103/PhysRevLett.84.5160. PMID  10990892.
  8. ^ abcdefghi Read, PG (1999). Геммология (2-е изд.). Butterworth-Heinemann. стр. 52, 53, 275, 276. ISBN 978-0-7506-4411-2.
  9. ^ Пан, Цзычэн; Сан, Хун; Чжан, И; Чэнь, Чанфэн (2009). «Твёрже алмаза: превосходная прочность на вдавливание вюрцита BN и лонсдейлита». Physical Review Letters . 102 (5): 055503. Bibcode : 2009PhRvL.102e5503P. doi : 10.1103/PhysRevLett.102.055503. PMID  19257519.
    • Лиза Зайга (12 февраля 2009 г.). «Ученые обнаружили материал тверже алмаза». Phys.org .
  10. ^ Хансен, Дж. О.; Коппертуэйт, Р. Г.; Дерри, ТЕ; Пратт, Дж. М. (1989). «Тензиометрическое исследование граней алмаза (111) и (110)». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 130 (2): 347–358. Bibcode : 1989JCIS..130..347H. doi : 10.1016/0021-9797(89)90114-8.
  11. ^ ab Harlow, GE (1998). Природа алмазов. Cambridge University Press. стр. 112, 223. ISBN 978-0-521-62935-5.
  12. ^ The Action Lab. «Можно ли разбить алмаз молотком?». YouTube . Архивировано из оригинала 2021-11-16 . Получено 14 июня 2020 г.
  13. ^ Вебер, М. Дж. (2002). Справочник по оптическим материалам . CRC Press. стр. 119. ISBN 978-0-8493-3512-9.
  14. ^ Field, JE; Freeman, CJ (1981). «Прочность и свойства разрушения алмаза». Philosophical Magazine A. 43 ( 3): 595–618. Bibcode : 1981PMagA..43..595F. doi : 10.1080/01418618108240397.
  15. ^ Мориёси, Y.; Камо, M.; Сетака, N.; Сато, Y. (1983). «Микроструктура природного поликристаллического алмаза, карбонадо и балласа». Журнал материаловедения . 18 (1): 217–224. Bibcode : 1983JMatS..18..217M. doi : 10.1007/BF00543828. S2CID  135628997.
  16. ^ Якубовский, К.; Адриансенс, Г.Дж. (2002). "Комментарий к 'Доказательствам наличия дефектного центра, связанного с железом, в алмазе'" (PDF) . Журнал физики: конденсированное вещество . 14 (21): 5459. Bibcode :2002JPCM...14.5459I. doi :10.1088/0953-8984/14/21/401. S2CID  250752181.
  17. ^ Тейлор, У. Р.; Линтон, А. Дж.; Ридд, М. (1990). «Агрегация азотных дефектов некоторых австралазийских алмазов: ограничения по времени и температуре в областях источников трубчатых и аллювиальных алмазов» (PDF) . Американский минералог . 75 : 1290–1310.
  18. ^ Воган, Тим (2 ноября 2012 г.). «Улучшенная ячейка с алмазной наковальней позволяет использовать более высокие давления». Physics World . Получено 8 декабря 2014 г.
  19. ^ abcd Walker, J. (1979). "Оптическое поглощение и люминесценция в алмазе" (PDF) . Rep. Prog. Phys . 42 (10): 1605–1659. Bibcode :1979RPPh...42.1605W. CiteSeerX 10.1.1.467.443 . doi :10.1088/0034-4885/42/10/001. S2CID  250857323. Архивировано из оригинала (PDF) 2018-07-23 . Получено 2019-02-12 . 
  20. ^ Хаунсом, Л.С.; Джонс, Р.; Мартино, П.; Фишер, Д.; и др. (2006). «Происхождение коричневой окраски в алмазе». Phys. Rev. B. 73 ( 12): 125203. Bibcode : 2006PhRvB..73l5203H. doi : 10.1103/PhysRevB.73.125203.
  21. ^ ab Якубовский, К.; Адриансенс, Г.Дж. (2002). "Оптическая характеристика природных алмазов Аргайла" (PDF) . Алмазы и сопутствующие материалы . 11 (1): 125. Bibcode :2002DRM....11..125I. doi :10.1016/S0925-9635(01)00533-7.
  22. ^ abcde Webster, R.; Read, PG (2000). Драгоценные камни: их источники, описания и идентификация . Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-1674-4.
  23. ^ Коллинз, AT; Коннор, A.; Ли, C.; Шариф, A.; Спир, PM (2005). «Высокотемпературный отжиг оптических центров в алмазе типа I». Журнал прикладной физики . 97 (8): 083517–083517–10. Bibcode : 2005JAP....97h3517C. doi : 10.1063/1.1866501.
  24. ^ Шуман, Уолтер (2009). Драгоценные камни мира (4-е изд.). Стерлинг. стр. 42. ISBN 978-1-4027-6829-3.
  25. ^ Eaton-Magaña, S.; Post, JE; Heaney, PJ; Freitas, J.; et al. (2008). «Использование фосфоресценции в качестве отпечатка пальца для Hope и других голубых алмазов». Геология (аннотация). 36 (1): 83–86. Bibcode :2008Geo....36...83E. doi :10.1130/G24170A.1.
  26. ^ Hanley, PL; Kiflawi, I.; Lang, AR (1977). «О топографически идентифицируемых источниках катодолюминесценции в природных алмазах». Phil. Trans. Roy. Soc. A. 284 ( 1324): 329–368. Bibcode : 1977RSPTA.284..329H. doi : 10.1098/rsta.1977.0012. JSTOR  74759. S2CID  120959202.
  27. ^ van Wyk, JA (1982). "Сверхтонкое взаимодействие углерода-12 уникального углерода центра P2 (ESR) или N3 (оптического) в алмазе". Journal of Physics C: Solid State Physics . 15 (27): L981–L983. Bibcode :1982JPhC...15L.981V. doi :10.1088/0022-3719/15/27/007.
  28. ^ ab Davies, G.; Nazaré, MH; Hamer, MF (1976). "Вибронная полоса H3 (2,463 эВ) в алмазе: эффекты одноосного напряжения и нарушение зеркальной симметрии". Труды Королевского общества A. 351 ( 1665): 245. Bibcode : 1976RSPSA.351..245D. doi : 10.1098/rspa.1976.0140. S2CID  93034755.
  29. ^ Фрейтас, JA; Кляйн, PB; Коллинз, AT (1993). «Наблюдение новой вибронной полосы люминесценции в полупроводниковом алмазе». Electronics Letters . 29 (19): 1727–1728. Bibcode : 1993ElL....29.1727F. doi : 10.1049/el:19931148.
  30. ^ de Sa, ES; Davies, G. (1977). «Исследования одноосного напряжения вибронных полос 2,498 эВ (H4), 2,417 эВ и 2,536 эВ в алмазе». Труды Королевского общества A. 357 ( 1689): 231–251. Bibcode : 1977RSPSA.357..231S. doi : 10.1098/rspa.1977.0165. S2CID  98842822.
  31. ^ ab O'Donoghue, M.; Joyner, L. (2003). Идентификация драгоценных камней . Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-5512-5.
  32. ^ Fromentin, Sarah (2004). Glenn Elert (ред.). "Resistivity of Carbon, Diamond". The Physics Factbook . Получено 30 декабря 2011 г.
  33. ^ Isberg, Jan; Hammersberg, Johan; Johansson, Erik; Wikström, Tobias; Twitchen, Daniel J.; Whitehead, Andrew J.; Coe, Steven E.; Scarsbrook, Geoffrey A. (2002-09-06). "Высокая подвижность носителей заряда в монокристаллическом плазменно-осажденном алмазе". Science . 297 (5587): 1670–1672. Bibcode :2002Sci...297.1670I. doi :10.1126/science.1074374. ISSN  0036-8075. PMID  12215638. S2CID  27736134.
  34. ^ Вольпе, Пьер-Николя; Мюре, Пьер; Перно, Жюльен; Омнес, Франк; Тераджи, Токуюки; Жомар, Франсуа; Плансон, Д.; Бросселар, Пьер; Дейи, Николя; Вернь, Бертран; Шарнхольц, Сиго (сентябрь 2010 г.). «Диоды Шоттки с высоким пробивным напряжением, синтезированные на CVD-слое алмаза p-типа». Физический статус Солиди А. 207 (9): 2088–2092. Бибкод : 2010PSSAR.207.2088V. дои : 10.1002/pssa.201000055. S2CID  122210971.
  35. ^ Коидзуми, С.; Небель, CE; Несладек, М. (2008). Физика и применение CVD-алмаза . Wiley VCH. С. 200–240. ISBN 978-3-527-40801-6.
  36. ^ Koizumi, S.; Watanabe, K.; Hasegawa, M.; Kanda, H. (2001). «Ультрафиолетовое излучение из алмазного pn-перехода». Science . 292 (5523): 1899–1901. Bibcode :2001Sci...292.1899K. doi :10.1126/science.1060258. PMID  11397942. S2CID  10675358.
  37. ^ Geis, MW (1991). «Производительность и изготовление алмазных транзисторов». Труды IEEE . 79 (5): 669–676. Bibcode : 1991IEEEP..79..669G. doi : 10.1109/5.90131.
  38. ^ Ляо, Мэйонг; Сан, Хуаньин; Коидзуми, Сатоши (19 января 2024 г.). «Высокотемпературные и высокоподвижные электроны металл-оксид-полупроводниковые полевые транзисторы на основе алмаза N-типа». Advanced Science : e2306013. doi :10.1002/advs.202306013. PMC 10987156 . PMID  38243629. 
  39. ^ Ван, В.; Ху, Ч.; Ли, С.Й.; Ли, Ф.Н.; Лю, З.Ц.; Ван, Ф.; Фу, Дж.; Ван, Х.Х. (2015). «Полевые транзисторы на основе алмаза с затвором Zr и диэлектрическими слоями SiNx». Журнал наноматериалов . 2015 : 1–5. doi : 10.1155/2015/124640 .
  40. ^ Екимов, Е.; Сидоров В.А.; Бауэр, Эд; Мельник, Н.Н.; и др. (2004). «Сверхпроводимость в алмазе» (PDF) . Природа . 428 (6982): 542–545. arXiv : cond-mat/0404156 . Бибкод : 2004Natur.428..542E. дои : 10.1038/nature02449. PMID  15057827. S2CID  4423950.
  41. ^ Takano, Y.; Takenouchi, T.; Ishii, S.; Ueda, S.; et al. (2007). «Сверхпроводящие свойства гомоэпитаксиального CVD-алмаза». Diamond and Related Materials . 16 (4–7): 911–914. Bibcode : 2007DRM....16..911T. doi : 10.1016/j.diamond.2007.01.027. S2CID  95904362.
  42. ^ Takano, Y. (2006). "Обзор". Sci. Technol. Adv. Mater . 7 (S1): S1. Bibcode :2006STAdM...7S...1T. doi : 10.1016/j.stam.2006.06.003 .
  43. ^ Козлов, М.Е.; Уве, Х.; Токумото, М.; Якуши, К. (1997). "Поведение спинового стекла нанокристаллического алмаза, интеркалированного калием". Journal of Physics: Condensed Matter . 9 (39): 8325. Bibcode : 1997JPCM....9.8325K. doi : 10.1088/0953-8984/9/39/016. S2CID  250794215.
  44. ^ Энтони, TR; Банхолзер, WF; Флейшер, JF; Вэй, Ланхуа; и др. (1990). «Теплопроводность изотопно обогащенного 12 C алмаза». Physical Review B. 42 ( 2): 1104–1111. Bibcode : 1990PhRvB..42.1104A. doi : 10.1103/PhysRevB.42.1104. PMID  9995514.
  45. ^ ab Wei, Lanhua; Kuo, PK; Thomas, RL; Anthony, TR; Banholzer, WF (1993). «Теплопроводность изотопически модифицированного монокристаллического алмаза». Physical Review Letters . 70 (24): 3764–3767. Bibcode : 1993PhRvL..70.3764W. doi : 10.1103/PhysRevLett.70.3764. PMID  10053956.
  46. ^ Херб, Константин; Зопес, Джонатан; Куджия, Кристиан; Деген, Кристиан (2020). «Широкополосный радиочастотный передатчик для быстрого управления ядерным спином». Обзор научных приборов . 91 (11): 113106. arXiv : 2005.06837 . Bibcode : 2020RScI...91k3106H. doi : 10.1063/5.0013776. PMID  33261455. S2CID  227252470.
  47. ^ Джон, П.; Полварт, Н.; Труп, CE; Уилсон, ДЖ. И. Б. (2002). «Окисление (100) текстурированного алмаза». Алмаз и сопутствующие материалы . 11 (3–6): 861. Bibcode : 2002DRM....11..861J. doi : 10.1016/S0925-9635(01)00673-2.
  48. ^ Дэвис, Г.; Эванс, Т. (1972). «Графитизация алмаза при нулевом давлении и при высоком давлении». Труды Королевского общества A. 328 ( 1574): 413–427. Bibcode : 1972RSPSA.328..413D. doi : 10.1098/rspa.1972.0086. S2CID  95824419.
  49. ^ Эванс, Т.; Джеймс, П. Ф. (1964). «Исследование превращения алмаза в графит». Труды Королевского общества A. 277 ( 1369): 260–269. Bibcode : 1964RSPSA.277..260E. doi : 10.1098/rspa.1964.0020. S2CID  137885339.
  50. ^ Эванс, Т.; Ци, З.; Магуайр, Дж. (1981). «Стадии агрегации азота в алмазе». Журнал физики C: Физика твердого тела . 14 (12): L379. Bibcode : 1981JPhC...14L.379E. doi : 10.1088/0022-3719/14/12/005.
  51. ^ Шацкий, А.; Ямазаки, Д.; Морар, Г.; Курей, Т.; Мацузаки, Т.; Хиго, И.; Фунакоши, К.; Сумия, Х.; Ито, Э.; Кацура, Т. (2009). «Нагреватель алмаза, легированного бором, и его применение в экспериментах с большим объемом, высоким давлением и высокой температурой». Rev. Sci. Instrum . 80 (2): 023907–023907–7. Bibcode : 2009RScI...80b3907S. doi : 10.1063/1.3084209. PMID  19256662.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки